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Dokumentenidentifikation DE3336962C2 02.09.1993
Titel Aerosol-Staub-Spektrometer
Anmelder Institute of Occupational Medicine Ltd., Edinburgh, Schottland, GB
Erfinder Vincent, James Henry, East Lothian, Scottland, GB;
Mark, David, East Lothian, Scottland, GB;
Gibson, Harold, Edinburgh, Scottland, GB;
Lynch, Gordon, Edinburgh, Scottland, GB
Vertreter Brose, D., Dipl.-Ing.Dipl.-Wirtsch.-Ing., Pat.-Anw., 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 11.10.1983
DE-Aktenzeichen 3336962
Offenlegungstag 26.04.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.09.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.09.1993
IPC-Hauptklasse G01N 15/06

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer für einatembares Staub-Aerosol.

Das Probenehmen von Staub in der Luft ist eine wichtige Hilfe, um die Arbeits- und Lebensbedingungen in der Umwelt zu verbessern. Im Laufe der Jahre wurden eine Anzahl von Vorrichtungen entwickelt, welche Staub in der Luft prüfen und sammeln. Ein frühes erfolgreiches Beispiel war der "MRE Gravimetric Dust Sampler" der National Coal Board, welcher von Casella vertrieben wurde, welcher Staub aerodynamisch mittels Auswaschung auswählt, so daß feine Partikel auf einem Filter gesammelt und ausgewogen werden können, welche als einigermaßen repräsentativ für diejenigen erachtet werden, die im alveolären Bereich der Lunge abgelagert sind. Dieses Gerät wurde in weitem Umfang in der britischen Kohlenbergbauindustrie benutzt und machte es möglich, die Beziehung zwischen kumulativer Massenkonzentration von einatembarem Staub in der Minenluft und den Risiken einer Entwicklung einer Staublunge in der Belegschaft auf zustellen. Andere Teilchen auswählende Geräte für im wesentlichen ähnliche Zwecke in der Bergwerks- und anderer Industrie wurden konstruiert und haben ähnliche Resultate erreicht, so daß der Schluß gezogen werden kann, daß bei vielen staubbezogenen Krankheiten der Lunge die einatembare Komponente primär verantwortlich ist. Jedoch existieren Teilchen von luftbefördertem Staub, welche nach Einatmung nicht notwendigerweise die alveolären Regionen der Lunge erreichen, vielmehr an anderer Stelle im Respirationstrakt abgelagert werden, beispielsweise im nasopharyngealen Bereich (Kopf bis hinunter zum und einschließlich des Kehlkopfs) oder in den tracheobronchialen Gebieten (Luftröhre und bronchialer Zweig bis hinter zu den Endbronchiolen), wobei diese Ablagerungen ausreichend giftig oder unangenehm sind, um Krankheit hervorzurufen.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein tragbares Instrument zu schaffen, welches zunächst Luft in einer ähnlichen Weise wie der menschliche Körper während des Einatmens aufnimmt und dann die Fraktionierung des so aufgenommenen Staubs ermöglicht, um die gewünschten Ablagerungsfraktionen für weitere Studien zu geben, wobei das Instrument biologisch relevante Staubfraktionen liefert.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Aerosol-Staub-Spektrometer mit den Merkmalen des Anspruch 1. Es handelt sich dabei um ein tragbares Aerosol- Staub-Spektrometer mit einem Eingangsabschnitt mit einem Probenehmereingang für einatembaren Staub mit einer Eingangseffizienz für luftgetragenen Staub, welche derjenigen des menschlichen Kopfes während der Einatmung angenähert ist, mit einer Reinigungs-Sammlungs-Stufe, welche im wesentlichen alle Teilchen über 15 µ entfernt (welche nicht in der Lage sind, bis jenseits des Kehlkopfes vorzudringen), mit einem Haupt-Sammlungs-Abschnitt mit einem Kaskadenimpaktor, welcher auf aerodynamische Weise Teilchen unterhalb 15 µ klassifiziert und Fraktionen hiervon auf einer Mehrzahl von Sammlungsflächen aufsammelt ohne wesentliche Teilchenverluste aufgrund Schwerkraft oder Zusammenstoß mit Oberflächen des Impaktors, welche nicht dazu bestimmt sind, Sammlungsflächen darzustellen, und mit einer Pumpeneinrichtung zum Hindurchziehen von Luft oder anderem Gas durch den Eingang und die Sammlungsabschnitte.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Probenehmer-Eingang für den einatembaren Staub. Es wird allgemein nicht erkannt, daß vom menschlichen Körper beim Atmungsakt eine vorläufige aerodynamische Selektion der Staubpartikel in der Luft durchgeführt wird, und daß dies in weitem Umfang abhängig ist von der aerodynamischen Größe der Teilchen. Beispielsweise wird die Probenaufnahme von Staub in der Regel auf einer Basis durchgeführt, bei der nicht versucht wird, zwischen Staubpartikeln zu unterscheiden, welche in der Regel nicht inhaliert werden, und solchen, welche inhaliert werden. Die Wichtigkeit dieses Umstands kann durch die Tatsache illustriert werden, daß, wenn man Teilchen von 30 µ Durchmesser betrachtet, nur ungefähr 40 bis 60% derjenigen Teilchen durch die Nase und den Mund eingeatmet werden, welche auf einer "gesamter Staub"-Basis nachgewiesen werden. Selbst bei sehr kleinen aerodynamischen Durchmessern, wie beispielsweise 5 µ ist die Einatmungseffizienz im Bereich von ungefähr 85 bis 97%. Um eine gute Betriebsweise des Probenaufnehmers für einatembaren Staub zu erreichen, erscheint es notwendig, daß die volumetrische Durchflußleistung ausreichend hoch ist, vorzugsweise mindestens 2 Liter pro Minute, und es sollte daher die Pumpeneinrichtung angepaßt werden, um die gewünschte Effizienzkurve der Probenentnahme über den 0-15 µ- Bereich der Teilchengröße zu erreichen, wenn der Probenaufnehmer für einatembaren Staub benutzt wird.

Ein bevorzugter Probennehmer für einatembaren Staub ist eine Entwicklung der ORB, beschrieben von Ogden und Birkett in "Annals of Occupational Hygiene", Vol. 21, 1978, Seiten 41-50. Er weist im wesentlichen sphärische Form auf mit einer Vielzahl von Eingangslöchern an der gleichen Höhe, vorzugsweise bei ungefähr 20° Breite. Vorzugsweise weist die Kugel einen flachen ringförmigen Streifen oder "Halo" auf, welcher an einer größeren Breite als die Eingangslöcher angeordnet ist, zweckmäßigerweise bei etwa 330 Breite. Die Konfiguration des bevorzugten Probennehmers für einatembaren Staub wird aus der beigefügten Zeichnung im Zusammenhang mit der entsprechenden Beschreibung deutlich.

Hierzu bekannter Stand der Technik ergibt sich beispielsweise aus der US-PS 42 74 846. Diese zeigt bereits eine Vorrichtung zum Sammeln und Klassifizieren von Teilchen aus gasförmigen Medien mit einem Kaskadenimpaktor und einer Pumpe, bei der eine Sammlungsstufe vorgesehen ist, um Teilchen, die größer als 11 µm sind, zu entfernen. Zusätzlich zeigt diese Druckschrift bereits eine Filterstufe als Abschluß der Kaskaden, um extrem feinen Reststaub aufzufangen.

Aus der US-PS 43 21 822 ist bereits ein Impaktor bekannt, bei dem die Impaktionsflächen in zylinderförmigen Hohlräumen angeordnet sind. Bei dieser Vorrichtung sind ebenfalls entfernbare Teilchensammelbehälter und ein der Teilchensammelvorrichtung nachgeschalteter Filter bekannt.

Aus der DE-OS 27 21 825 ist es bekannt, Vorrichtungen zur Bestimmung der Verunreinigung von Luft durch Aerosol-Partikeln so auszubilden, daß die Probennahme derart erfolgt, daß die Aerosolanteile, die die Neigung haben, sich in den menschlichen Atemwegen abzusetzen, abgeschätzt werden können.

Der Kaskadenimpaktor ist vorzugsweise eine Entwicklung eines Instruments, welches von Lundgren in "Journal of the Air Pollution Control Association" Vol. 17 No. 4, April 1967, S. 225-228 beschrieben ist. Der Lundgren-Impaktor benutzt beschichtete zirkulare, trommelähnliche Kollektorflächen, mit dem besonders nützlichen Merkmal, daß aufgrund der Rotation der Trommel bei einer stetigen Geschwindigkeit eine chronologische Aufzeichnung des auf der Oberfläche gesammelten Staubs möglich ist. Der Lundgren-Impaktor benutzt vier Kaskadenimpaktorstufen, wobei eine jede eine Düse umfaßt, welche einen länglichen Schlitz bildet, wobei eine Kollektortrommel nahe dem Schlitz angeordnet ist, so daß die aus dem Schlitz gelangende Luft auf die Kollektortrommel stößt. Grobe luftgetragene Teilchen tendieren dazu, sich an der Trommel abzulagern, während feine Teilchen dazu tendieren, um die Außenseite herum zu gelangen. Durch Verkleinerung der Breite des Schlitzes und Bewegung der Trommel näher zum Schlitz treffen kleine Teilchen auf die Kollektorfläche auf. Die Anmelderin hat jedoch herausgefunden, daß trotz seines Vorteils der Lundgren-Impaktor, wie er in der Druckschrift dargestellt ist, erhebliche Verluste aufweist, welche den Wert dem hiervon erhaltenen Informationen zerstört. Die Anmelderin glaubt, daß die Bildung von Turbulenzen bzw. Wirbeln, das Absinken aufgrund von Gravitationskräften und Trägheitsstöße von Teilchen mit internen Flächen, welche keine Kollektorflächen sind (Wandverluste) die Verluste bewirken, welche erheblich sind, beispielsweise in der Größenordnung von 30% für Teilchen von ungefähr 8 µ Durchmesser. Wandverluste können ganz erheblich reduziert werden durch sorgfältige innere Konstruktion, beispielsweise besteht im Falle der vorliegenden Erfindung das bevorzugte Verfahren darin, rotierende Trommelkollektorflächen zu benutzen, welche innerhalb eines geformten Blocks angeordnet sind, so daß ein ringförmiger Raum um jede Trommel entsteht, und die Eingangs-Durchflußleistung und die Dimensionen des ringförmigen Raums so zu wählen, daß eine Luftgeschwindigkeit innerhalb des ringförmigen Raums erreicht wird, welche ausreichend groß ist, um eine schwerkraftsmäßige Ablagerung von Teilchen zu verhindern, jedoch nicht so groß, daß wesentlich weitere Stöße und Wandverluste erzeugt werden.

Vorzugsweise ist die Kollektorfläche einer jeden Kollektortrommel, einschließlich derjenigen der Reinigungs-Sammlungs-Stufe, mit einer klebrigen Substanz beschichtet, um Staubteilchen zurückzuhalten. Es gibt viele geeignete viskose Beschichtungen, obwohl ein Fett wie beispielsweise ein Vakuum-Fett bevorzugt wird. Um die Handhabung der Probennehmer für gesammelten Staub zu erleichtern, ist es bevorzugt, daß eine jede Kollektortrommel eine Kunststoffmembrane entfernbar trägt, welche in geeigneter Weise eingefettet ist; die Membrane kann dann zu Studienzwecken entfernt werden. Die Trommeln sind, wie bereits vorgeschlagen wurde, vorzugsweise kontinuierlich und synchron angetrieben, und dies kann durch einen qualitativ hochwertigen, federgetriebenen Uhrwerkmechanismus mit einem entsprechenden Getriebe oder mittels eines elektrischen Motors erreicht werden. Die Getriebeübertragung kann veränderbar sein, um unterschiedliche Probeaufnahmezeiten zu ermöglichen.

Die Pumpeneinrichtung wird zweckmäßigerweise passend entsprechend der jeweiligen Aufgabe gewählt, und wenn das Instrument in gefährlichen Umgebungen verwendet werden soll, so wird es notwendig sein, Erfordernisse hinsichtlich der Funkendichte der Stromquelle und/oder andere Sicherheitsmaßnahmen zu berücksichtigen. Wie bereits angedeutet wurde, ist eine relativ hohe Volumendurchflußrate erwünscht, um eine effiziente Arbeitsweise des Probennehmers für einatembaren Staub sicherzustellen und um ausreichend hohe Gasgeschwindigkeiten für den Betrieb des Impaktors zu erreichen, sowie um ausreichende Staubablagerungen zum Ermöglichen ihrer gravimetrischen Wertung zu ermöglichen. Die jeweils tatsächlichen Durchflußgeschwindigkeiten hängen von den gewählten Dimensionen des Instruments als Ganzes ab.

Es wurde herausgefunden, daß der beschriebene Kaskadenimpaktor nicht in der Lage ist, Teilchen kleiner als ungefähr 1 µ zu sammeln, und wenn diese einen signifikanten Anteil der Teilchengrößenverteilung des Staubs bilden hinsichtlich ihrer Masse oder ihrer Toxizität, so wird vorzugsweise eine End-Sammelstufe, wie beispielsweise ein feiner Filter, vorgesehen, welcher in der Lage ist, Teilchen mit einer Größe unterhalb 1 µ zu sammeln. Man muß im Gedächtnis behalten, daß ein solcher Filter einen deutlichen Druckabfall verursacht und daher muß eine stärkere Pumpeneinrichtung verwendet werden, um die gewünschte Durchflußleistung aufrechtzuerhalten.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Probennehmereingangs für einatembaren Staub,

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Kaskadenimpaktors mit einem Reinigungs-Sammlungsstufe und vier Haupt-Sammlungsstufen, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des zusammengebauten Spektrometers gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist der Probennehmer-Eingang 1 für ein einatembaren Staub gezeigt, der in ein tragbares Aerosol-Staub- Spektrometer gemäß der Erfindung eingebaut wird. Der Probennehmer-Eingang weist einen ersten hohlen, halbkugelförmigen Abschnitt 2 auf und einen zweiten hohlen, halbkugelförmigen Abschnitt 3, welcher ein Ausgangs-Verbindungsrohr 4 aufweist. Die halbkugelförmigen Abschnitte sind Metallpreßstücke. Der erste Abschnitt trägt 32 voneinander beabstandete Eingangslöcher 5, welche unter einem Breitengrad von 20° angeordnet sind, und unter einem Breitengrad von 33° ist ein ringförmiger Rand oder Halo 6 vorgesehen. Es wurde herausgefunden, daß der Halo die Aufnahmecharakteristika des Eingangs bezüglich des einatembaren Staubs verbessert. Das Verbindungsrohr ist in eine Eingangsverbindung 7 in der kombinierten Reinigungs-Sammlungs-Stufe und Kaskadenimpaktor gemäß Fig. 2 eingepaßt.

In Fig. 2 ist eine im allgemeinen mit der Bezugsziffer 8 bezeichnete Reinigungs-Sammlungs-Stufe am Kaskadenimpaktor, welcher im allgemeinen mit 9 bezeichnet ist, befestigt. Dies Sammlungsstufe besteht aus einem Metallblock 10, welcher so bearbeitet ist, daß er einen kreisförmigen Hohlraum 11 mit einem Schlitz 12 aufweist, welcher eine Verbindung mit dem Eingang 7 schafft. Der Block 10 ist an einem Ende mittels einer Metallbasisplatte 13 abgeschlossen, welche der Sammlungsstufe und dem Impaktor gemeinsam ist, und er weist eine Deckplatte 14 auf, durch welche hindurch sich eine Welle 15 erstreckt, welche einen Sammlungszylinder 16 und ein gezahntes Antriebsrad 17 trägt. Der Hohlraum weist einen Ausgangsschlitz auf, welcher eine Verbindung mit dem Eingangsschlitz der ersten Stufe des Kaskadenimpaktors schafft. Der Kaskadenimpaktor ist in analoger Weise konstruiert und weist vier Stufen auf; eine jede Stufe weist einen separaten Block 10a, 10b usw. auf, welche mit dem Block 10 der Reinigungs-Sammlungs-Stufe mittels Bolzen zusammengefügt sind. Dies wurde gemacht, um die Herstellung des Prototyps zu vereinfachen, und obwohl es möglich ist, die Reinigungsstufe und den Impaktor aus einem einzigen Block herzustellen, wurden keine Lecks entdeckt, wenn die Blöcke zusammengeschraubt waren, ohne daß Dichtscheiben verwendet wurden. Man wird bemerken, daß die Form der Hohlräume für die Impaktorstufen unterschiedlich ist, indem sie eine abgeflachte Kante aufweist, welche den Eingangsschlitz für eine jede Stufe aufweist. Die Schlitze sind progressiv enger ausgebildet, und die Sammlungszylinder sind progressiv näher bei den Schlitzen angeordnet, um progressiv kleinere Teilchen zu sammeln. Die Größe der Schlitze, die Position der Zylinder und die Luftgeschwindigkeit sind so gewählt, daß sich nominale Schnittgrößen (50dae) von 12 µ (Stufe 1), 6 µ (Stufe 2), 3 µ (Stufe 3) und 1 µ. (Stufe 4) ergeben. Prinzipiell wäre es wünschenswert, eine größere Anzahl von Stufen im Impaktor zu haben, aber zumindest beim Prototyp begrenzten Gerätefaktoren, wie beispielsweise die Größe und das Gewicht des gesamten Instruments, um ein einfaches Tragen in Untergrund-Kohlenminen zu ermöglichen, die Anzahl auf vier. Ein jeder Zylinder wird synchron über eine Getriebeanordnung mittels eines Uhrmotors 18 angetrieben.

Ein Ausgang 19 vom Impaktor ist über einen Plastikschlauch 20 mit großem Querschnitt zweckmäßigerweise über ein Meßgerät für die Durchflußleistung, wie beispielsweise einem "Rotameter" 21 mit einer Pumpe 22 verbunden. Eine geeignete Durchflußleistung von 10 l/min. für den Prototypen wurde unter Verwendung des eigensicheren Zentrifugalgebläse- und Batteriestrom-Packs des "TBF50" Staub-Probenaufnehmers, vertrieben von Mollider & Muller, Köln, Deutschland, erreicht.

Für den Gebrauch weist ein jeder Zylinder, einschließlich desjenigen der Reinigungsstufe, einen dünnen Polycarbonat- Film auf, welcher eine gleichförmige Beschichtung eines Silikonfetts trägt, wobei das Fett auch als Klebemittel dient, um den Film am Zylinder entfernbar zu befestigen. Nach einer Probenaufnahmezeit, beispielsweise einer 8- Stunden-Probenaufnahmezeit, bei der das Instrument in einer geeigneten Position angeordnet war, vorzugsweise ungefähr in der mittleren Kopfhöhe, werden die Filme zur Untersuchung entfernt.

Es können eine Anzahl unterschiedlicher Verfahren verwendet werden, um die erhaltenen Resultate in Form von Staubablagerungen auf dem Film zu analysieren. Diese Verfahren umfassen u. a. optische Mikroskopie (Bänder unterschiedlicher gefärbter Staubablagerungen können auf einfache Weise gesehen werden, welche Zeiten des Gesteinsschneidens im Gegensatz zu Kohleschneiden in Bergbauminen entsprechen), das direkte Wiegen, um die gesammelten Massen zu erhalten (obwohl dies nicht sofort eine Information über die gesammelten Massen während kürzerer Zeitperioden innerhalb der längeren Gesamtprobenaufnahmeperiode gibt) und, vorzugsweise, Strahlungs-Reflektions- oder Dämpfungssysteme. In besonders vorteilhafter Weise werden die die Staubablagerungen tragenden Filme durch Abschwächung von niederenergetischen β-Teilchen analysiert. Diese Technik ist bekannt, und sie benutzt zweckmäßigerweise eine Strahlungsquelle wie beispielsweise 14C und einen β-Teilchen-Detektor, beispielsweise einen, welcher von Nuclear Enterprises Limited vertrieben wird und welcher einen Anthrazen-Kristall-Szintillator benutzt. Die Filme können unter Verwendung einer geeigneten mechanischen Anordnung abgetastet werden, und es wird eine nützliche Information bezüglich der Staubablagerungen während der Probenentnahmezeit erhalten. Ein wichtiger Vorteil eines solchen Systems besteht darin, daß die Aufzeichnung der Dämpfung der β-Teilchen auf einfache Weise aufbewahrt werden kann, wodurch eine anschließende Analyse zu einer sehr viel späteren Zeit möglich ist, und zur gleichen Zeit gibt die Klassifikation des Staubs auch die unterschiedlichen Probennahmefilme mittels des aerodynamischen Durchmesser alle notwendigen Daten für die epidemiologische Forschung.

Ein Prototyp des Instruments gemäß der verliegenden Erfindung wurde im Laboratorium und später in zwei Untertage-Kohleminen mit ziemlich unterschiedlichen Umgebungsbedingungen erfolgreich getestet.


Anspruch[de]
  1. 1. Aerosol-Staub-Spektrometer mit einem Kaskadenimpaktor zur aerodynamischen Klassifikation luftgetragener Staubpartikel und zur Sammlung von deren Fraktionen auf einer Mehrzahl von Sammlungs-Oberflächen bildenden drehbaren Trommeln (16), deren jede jeweils in einem, mit einem Eingangsschlitz (12) versehenen Hohlraum (11) angeordnet ist, und mit einer Pumpe, um Luft oder andere Gase mit suspendiertem Staub durch das Spektrometer hindurchzuziehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Probennehmer-Eingang (1) für die Luft oder das Gas so bemessen ist, daß er annäherungsweise die gleiche Eingangseffizienz wie der menschliche Kopf aufweist, daß eine Reinigungs-Sammlungs-Stufe (8) vorgesehen ist zur Entfernung von Staubteilchen, die größer als 15 µ sind, daß die Hohlräume (11) zylindrisch geformt sind, und daß die Durchflußleistung und der Durchgang für die Luft oder das Gas durch den Kaskadenimpaktor derart ausgelegt sind, daß der Verlust von Staubteilchen aufgrund von Schwerkraft oder aufgrund von Stößen mit denjenigen Oberflächen, welche keine Sammlungs-Oberflächen sind, vernachlässigbar ist.
  2. 2. Aerosol-Staub-Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (11) des Kaskadenimpaktors eine abgeflachte Seite aufweisen, in der der jeweilige Eingangsschlitz (12) angeordnet ist.
  3. 3. Aerosol-Staub-Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Probennehmer-Eingang (1) von einem kugelförmigen hohlen Körper (2, 3) gebildet wird, welcher zumindest ein Eingangsloch (5) aufweist.
  4. 4. Aerosol-Staub-Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Körper eine Vielzahl von Eingangslöchern (5) auf dem gleichen Breitengrad und eine externe ringförmige Lippe (6) bei einem größeren Breitengrad als demjenigen, der den Eingangslöchern (5), zugeordnet ist, aufweist.
  5. 5. Aerosol-Staub-Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammlungs-Oberflächen der drehbaren Trommeln (16) entfernbare Kunststoffilme sind, die mit einem klebrigen Material beschichtet sind, um Staubpartikel zurückzuhalten.
  6. 6. Aerosol-Staub-Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filterstufe stromabwärts des Kaskadenimpaktors vorgesehen ist, durch die Staubteilchen mit einer Größe von kleiner als 1 µ entfernbar sind.






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